應(yīng)用壓電陶瓷技術(shù)的新型減速帶設(shè)備的設(shè)計說明書

武建國+高航舵+王奕博+胡安玉

摘 要：壓電陶瓷受到壓力時產(chǎn)生形變，可在其表面產(chǎn)生電壓，并且該電壓值與所加壓力成正比關(guān)系。減速帶幾乎是每條公路都必備的一種設(shè)施。將減速帶與壓電陶瓷相結(jié)合，利用車輛經(jīng)過減速帶時產(chǎn)生的壓力來使壓電陶瓷發(fā)電，從而實現(xiàn)將公路上的無用的機(jī)械能轉(zhuǎn)化電能儲存起來，達(dá)到節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的目的。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷；節(jié)能減排；減速帶

作品內(nèi)容簡介

我們將壓電陶瓷技術(shù)與減速帶相結(jié)合，設(shè)計出一種新型的節(jié)能減速帶裝置。壓電陶瓷具有正壓電效應(yīng)和負(fù)壓電效應(yīng)。在機(jī)械力的作用下，壓電陶瓷發(fā)生形變，使帶電粒子發(fā)生相對位移，從而在晶體表面出現(xiàn)正負(fù)束縛的電荷，宏觀表現(xiàn)為壓電陶瓷的正負(fù)極出現(xiàn)電壓。減速帶是公路上普遍存在的一種交通安全設(shè)備。在城鎮(zhèn)道路上每天都會有成千上萬的車輛在上面碾壓通過。我們將這兩種材料設(shè)備結(jié)合起來，利用減速帶所承受的壓力和壓電陶瓷因受壓而產(chǎn)生電能的特性研發(fā)出新型的節(jié)能減速帶。

截止2015年底，我國的汽車保有量已經(jīng)達(dá)到2.79億輛。這就代表著各個城市的道路上每天都會有成千上萬輛車來回穿梭，城市主干道的車流量更是川流不息，而這其中就蘊藏了大量的未被開發(fā)的機(jī)械能。我們通過利用本設(shè)備，將車輛的機(jī)械壓力應(yīng)用于壓電陶瓷之上，可以將這些機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)能量的再利用，從而達(dá)到節(jié)約能源和可持續(xù)發(fā)展的目的。并且該設(shè)備的原理和制作工藝簡單易懂，造價與普通減速帶相比相差無幾，幾乎不會對道路交通，過往車輛或者是周圍環(huán)境產(chǎn)生任何的影響。另一方面，這樣的一個產(chǎn)品的造價與傳統(tǒng)的減速帶相比，價格相差不高，但是卻可以源源不斷的將無用的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，具有較好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

1 研制背景及意義

目前國際上各個國家都在壓電技術(shù)方面做研究，并且在壓電技術(shù)與公路相結(jié)合的方面已取得較大進(jìn)展。我們小組是將壓電陶瓷技術(shù)與減速帶相結(jié)合。利用車輛在通過減速帶時產(chǎn)生的壓力，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，從而實現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化，達(dá)到節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的目的。

2 研究歷程

1.了解壓電陶瓷的特性并初選材料

要想正確利用壓電陶瓷，應(yīng)先充分了解它的特性和工作原理。在前三天的時間里，我們小組成員利用網(wǎng)絡(luò)資源，圖書館資源分頭查閱資料了解其原理并將對實驗有幫助的資料上傳到討論組里供大家參考，為以后更好地進(jìn)行模型制作和試驗奠定了良好的基礎(chǔ)。并且根據(jù)所查資料并結(jié)合項目本身的實際情況，初步選定了4種壓電陶瓷材料。

2、設(shè)計電路

電路的設(shè)計決定了產(chǎn)生電能的效果，并聯(lián)和串聯(lián)兩大基礎(chǔ)電路各有利弊。在之前的對于壓電陶瓷材料的學(xué)習(xí)過程之中我們已經(jīng)知道壓電陶瓷材料的電阻很大，不適宜采用串聯(lián)電路，而并聯(lián)電路能使電阻減小，產(chǎn)生的電流比較可觀。最終，我們決定選擇并聯(lián)電路，其次，通過查閱論文和文獻(xiàn)等資料并結(jié)合減速帶的結(jié)構(gòu)繪制了電路圖。

3、通過對比試驗，最終選定材料。

我們先將每一種初步選擇的壓電陶瓷與萬能電流表相連，通過施加壓力檢測其產(chǎn)生電壓的能力。經(jīng)過大家的多次試驗和數(shù)據(jù)記錄，因為其形狀尺寸適中，受壓時能夠產(chǎn)生較大的電壓，價格適中，比較符合我們試驗的要求，最終我們決定選取矩形壓電陶瓷片進(jìn)行實驗。

4、制作實物模型。

根據(jù)設(shè)計的電路圖，結(jié)合減速帶的形狀尺寸，經(jīng)過測量和計算，完成了實物電路連接。將壓電陶瓷線路與減速帶結(jié)合，為了保護(hù)導(dǎo)線并使壓電陶瓷充分受力和得到保護(hù)，我們將兩層PVC板覆蓋在整體線路上，裁出線路槽，將線路充分包裹。最后，引出多余的導(dǎo)線連接在蓄電池上，再將蓄電池安放在減速帶旁。

3 實驗步驟及內(nèi)容

1、不同車流量下的發(fā)電實驗

我們首先選擇在學(xué)校車流量較大的地方安放減速帶，在旁邊記錄車流量并計時，每一個小時記錄一次蓄電池的電壓值。同時設(shè)計一組蓄電池對比實驗以減小其他因素產(chǎn)生的實驗誤差。將一不做任何處理的蓄電池放在相同環(huán)境下，與實驗蓄電池同時記錄電壓值，并在試驗后將數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，差值即為產(chǎn)生的電能。

2、不同壓力下產(chǎn)生電壓實驗

通過減速帶的壓力主要有人、非機(jī)動車和機(jī)動車產(chǎn)生的壓力。我們對相關(guān)車輛記重并進(jìn)行實驗，每種壓力進(jìn)行多次試驗，記錄數(shù)據(jù)并繪制關(guān)系曲線。（數(shù)據(jù)和曲線圖見附件）

3、等壓下受壓次數(shù)與電壓的關(guān)系

利用幾組不同壓力，對減速帶分別進(jìn)行相同次數(shù)的次等壓力施壓，每次施壓結(jié)束后記錄蓄電池電壓值。記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較分析繪制出關(guān)系曲線。

4 工作原理及性能分析

工作原理：壓電材料具有正壓電效應(yīng)和負(fù)壓電效應(yīng)。在機(jī)械力的作用下，壓電材料發(fā)生形變，使帶電粒子發(fā)生相對位移，從而在晶體表面出現(xiàn)正負(fù)束縛的電荷，宏觀上表現(xiàn)為壓電陶瓷的正負(fù)極出現(xiàn)電壓。因壓電陶瓷片本身電阻較大，所以我們將壓電陶瓷片并聯(lián)起來，形成一個線路，然后將該線路與蓄電池相連接，再將整套裝置放置于減速帶底部。為了防止摩擦阻力過大損壞壓電陶瓷片以及電線等，特此在裝置上覆蓋一層PVC板，避免壓電陶瓷和電線與地面的直接接觸。當(dāng)人或車輛在通過減速帶時，產(chǎn)生的壓力使壓電陶瓷發(fā)生形變，兩極出現(xiàn)電壓，然后接到蓄電池兩極將該電能 收集儲存。通過這一裝置實現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。

性能分析：我們在人，電動車，普通小汽車等不同情況下，得到了壓力與平均電壓的關(guān)系圖。

經(jīng)分析可得，壓電陶瓷的電壓與其所受的壓力成正比關(guān)系。以1.5噸的普通汽車為例，在80mm*65mm的受壓面內(nèi)經(jīng)76次試驗，平均單次受壓可產(chǎn)生21.54V電壓。壓電轉(zhuǎn)化效率最高可達(dá)44.21%.（見圖6）

5 創(chuàng)新點及應(yīng)用

該項目通過將新型壓電技術(shù)與減速帶相結(jié)合，使公路上損失的無用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)能量的再利用。減速帶幾乎存在于每條公路上，蘊藏著巨大的機(jī)械能。因此該裝置具有很大的開發(fā)價值和市場價值。并且通過這種方式，幾乎不會對道路交通產(chǎn)生影響。另一方面，這樣的一個產(chǎn)品的造價與傳統(tǒng)的減速帶相比，價格相差不高，但是卻可以源源不斷的將浪費掉的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，完全符合創(chuàng)新性和節(jié)能減排的要求。

材料表

6 遇到的技術(shù)難點和克服方法

1、知識儲備方面。小組成員在之前從未學(xué)習(xí)過有關(guān)壓電陶瓷材料有關(guān)方面的知識。因此特意懇請相關(guān)專業(yè)的老師為我們做專業(yè)性的指導(dǎo)，并且在課余時間，小組成員積極的查閱有關(guān)資料，學(xué)習(xí)關(guān)于壓電陶瓷和電路等方面的知識。

2、選材方面。壓電陶瓷材料有許多種類，并且每種類別的材料都有其自身的優(yōu)點和缺點。為了選擇出更符合本設(shè)備所要求的陶瓷材料，我們設(shè)計了壓力與電壓的對比試驗，以相同壓力作用情況下，產(chǎn)生電壓最大的為優(yōu)選方向，在已滿足上述前提條件下，尺寸合適，價格便宜為優(yōu)選方向選擇材料。最終確定矩形壓電陶瓷材料為模型制作所用材料。

3、實物模型的制作。模型制作過程中我們遇到的技術(shù)難點有以下幾方面：①整個壓電陶瓷線路與減速帶的結(jié)合方式及其各結(jié)合方式對壓電轉(zhuǎn)化的影響。②電路連接方式③減速帶被利用頻率最高的區(qū)域如何確定。這些問題通過我們不斷的試驗，從實驗數(shù)據(jù)分析對比，最終決定以并聯(lián)方式，將整個線路鋪設(shè)在減速帶下方，同時，為了減少因缺乏某些專業(yè)工具而制作出脆弱電路的可能性，降低壓電線路的磨損，我們將整個線路和壓電陶瓷片嵌在PVC板上再進(jìn)行鋪設(shè)。通過觀察實際生活中的減速帶及其車輛的過往情況，確定了減速帶上的高頻使用區(qū)域。

7 經(jīng)濟(jì)性分析

普通減速帶造價29元/米，新型節(jié)能減速帶造價155元/米。以城市內(nèi)道路為例，假設(shè)一條公路每天車流量為10000次，則可蓄電3度，以每度電0.56元計算，則一天一條公路可省電1.68元，一年可節(jié)省電費613.2元。假設(shè)普通減速帶壽命為3年來計，節(jié)能減速帶壽命為2年來計，則6年內(nèi)，新型節(jié)能減速帶可累計節(jié)省3270元。

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